1553B通信的總線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)分析與解決方案

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(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所 孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230088)

引 言

圖1 AT697F與B65170S6RH連接原理圖

MIL-STD-1553B總線(xiàn)由于在傳輸可靠性和容錯(cuò)能力方面具有優(yōu)勢(shì)，特別適用于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣并且對(duì)可靠性要求高的場(chǎng)合，在航空航天電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。由于1553B 總線(xiàn)接口芯片可以工作在不同模式、數(shù)據(jù)傳輸上有不同的機(jī)制，在某特定的工作模式和數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制下，可能會(huì)產(chǎn)生1553B接口芯片內(nèi)部的總線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)，從而導(dǎo)致總線(xiàn)傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)傳輸異常。

本文以某實(shí)際星載項(xiàng)目在模飛聯(lián)試中出現(xiàn)的通信故障為例，對(duì)1553B總線(xiàn)通信過(guò)程中出現(xiàn)的總線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)原因進(jìn)行機(jī)理分析，并給出相應(yīng)的解決方法。

1 總線(xiàn)接口設(shè)計(jì)

某星載項(xiàng)目為保證有效載荷和衛(wèi)星平臺(tái)之間數(shù)據(jù)能夠正確無(wú)誤地傳輸，并且要有較高的穩(wěn)定性和可靠性，有效載荷通過(guò)1553B總線(xiàn)與衛(wèi)星平臺(tái)系統(tǒng)通信，其通信原理如圖1所示。接口電路采用航天九院772所的抗輻射1533B接口芯片B65170S6RH。有效載荷通過(guò)1553B總線(xiàn)接入星上系統(tǒng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，作為星上1533B總線(xiàn)中的一個(gè)設(shè)備終端(RT)，整個(gè)衛(wèi)星通過(guò)1553B總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)分布式實(shí)時(shí)通信。

在項(xiàng)目中，有效載荷的處理器使用AT697F微處理器，由于A(yíng)T697F較多的I/O口被復(fù)用，數(shù)量受限，故1533B接口芯片B65170S6RH通過(guò)FPGA掛載在A(yíng)T697F的I/O地址空間上，地址空間為0x2000 0000～0x3FFF FFFF，F(xiàn)PGA根據(jù)AT697F的讀寫(xiě)指令完成AT697F與B65170S6RH之間的接口邏輯轉(zhuǎn)換。

2 1553B數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制

對(duì)于以衛(wèi)星平臺(tái)為總線(xiàn)控制器作為消息源的數(shù)據(jù)傳輸采用更新數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，總線(xiàn)控制器通過(guò)檢查更新?tīng)顟B(tài)字得到數(shù)據(jù)的更新?tīng)顟B(tài)，組織總線(xiàn)通信，發(fā)送數(shù)據(jù)更新消息。

對(duì)于以遠(yuǎn)程終端為消息源的數(shù)據(jù)傳輸采用服務(wù)請(qǐng)求機(jī)制。各個(gè)遠(yuǎn)程終端通過(guò)總線(xiàn)狀態(tài)字中的“服務(wù)請(qǐng)求位”(狀態(tài)字第11位)來(lái)標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求，通過(guò)矢量字(16位，按位定義數(shù)據(jù)類(lèi)型)位來(lái)標(biāo)識(shí)請(qǐng)求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類(lèi)型。

衛(wèi)星平臺(tái)的總線(xiàn)控制器將根據(jù)各遠(yuǎn)程終端消息的刷新周期和最大延遲時(shí)間要求依次對(duì)各個(gè)遠(yuǎn)程終端進(jìn)行輪詢(xún)：向各遠(yuǎn)程終端發(fā)出“發(fā)送矢量字”方式指令，代碼為10 000。如返回狀態(tài)字中的“服務(wù)請(qǐng)求位”(狀態(tài)字第11位)被置成1，則說(shuō)明該遠(yuǎn)程終端有服務(wù)請(qǐng)求?？偩€(xiàn)控制器將進(jìn)一步分析該遠(yuǎn)程終端返回的矢量字，以確定該遠(yuǎn)程終端需求的某種或幾種特定的數(shù)據(jù)傳輸類(lèi)型，組織通信將該遠(yuǎn)程終端的數(shù)據(jù)取走。當(dāng)總線(xiàn)控制器將某類(lèi)要求服務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸完成后，遠(yuǎn)程終端應(yīng)將矢量字中相應(yīng)位復(fù)位，如矢量字中還有其他服務(wù)請(qǐng)求，遠(yuǎn)程終端仍應(yīng)將狀態(tài)字中的“服務(wù)請(qǐng)求位”置1。如輪詢(xún)的對(duì)象沒(méi)有提出服務(wù)請(qǐng)求，總線(xiàn)控制器掃過(guò)此遠(yuǎn)程終端詢(xún)問(wèn)下一個(gè)遠(yuǎn)程終端。

各遠(yuǎn)程終端一旦在發(fā)送緩沖區(qū)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)或是請(qǐng)求獲取某類(lèi)數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)將矢量字中相應(yīng)位置1，并將總線(xiàn)狀態(tài)字中的“服務(wù)請(qǐng)求位”置1；待總線(xiàn)控制器將數(shù)據(jù)取走或發(fā)來(lái)數(shù)據(jù)后，再將矢量字中相應(yīng)的位置0。

衛(wèi)星平臺(tái)為統(tǒng)一整星的系統(tǒng)時(shí)間，采用廣播方式周期性地在A(yíng)/B總線(xiàn)上交替發(fā)布時(shí)間碼消息給各有效載荷，發(fā)布頻度為1 s一次，各有效載荷使用系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)定的子地址接收時(shí)間碼消息。

3 故障現(xiàn)象

項(xiàng)目在進(jìn)行整星模飛聯(lián)試時(shí)，根據(jù)第3節(jié)描述的與衛(wèi)星平臺(tái)約好的1553B數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，衛(wèi)星平臺(tái)向本有效載荷“發(fā)送矢量字”方式指令時(shí)，如有發(fā)送本有效載荷工程參數(shù)服務(wù)請(qǐng)求時(shí)，則將返回狀態(tài)字中的“服務(wù)請(qǐng)求位”置成1，待衛(wèi)星平臺(tái)將數(shù)據(jù)取走時(shí)，本有效載荷軟件應(yīng)將矢量字中相應(yīng)位復(fù)位，結(jié)束本次數(shù)據(jù)傳輸。但在實(shí)際的模飛聯(lián)試時(shí)，當(dāng)衛(wèi)星平臺(tái)將本有效載荷工程參數(shù)取走后，本有效載荷軟件應(yīng)將矢量字中相應(yīng)位復(fù)位，但在聯(lián)試過(guò)程中，有效載荷軟件不能每次將配置寄存器1的“服務(wù)請(qǐng)求位”置復(fù)位、矢量字中相應(yīng)的位置0，從而導(dǎo)致衛(wèi)星平臺(tái)需要不停讀取本有效載荷的數(shù)據(jù)。

4 問(wèn)題定位

針對(duì)上述故障現(xiàn)象，利用故障樹(shù)進(jìn)行了分析，方式字未清除的故障樹(shù)如圖2所示。

圖2 1553B方式字未清除故障樹(shù)

① 初始考慮主要的可能是由于對(duì)方式字的配置錯(cuò)誤導(dǎo)致的。配置錯(cuò)誤主要有兩種可能，一是方式字本身配置錯(cuò)誤，二是將方式字設(shè)置為非法指令導(dǎo)致。經(jīng)檢查程序，方式字寄存器的配置參數(shù)為0x8803，結(jié)合B65170S6RH的手冊(cè)，方式字配置參數(shù)不會(huì)導(dǎo)致本次錯(cuò)誤；非法指令寄存器中也沒(méi)有將方式字設(shè)置為非法指令，因此非法指令也不會(huì)導(dǎo)致方式字的錯(cuò)誤。

② 另一種可能是由衛(wèi)星平臺(tái)在發(fā)送方式字時(shí)，AT697F軟件沒(méi)有進(jìn)入中斷服務(wù)程序，通過(guò)在試驗(yàn)件上調(diào)試，每一次發(fā)送方式字指令，AT697F軟件均可以正確進(jìn)入中斷服務(wù)程序，因此此種故障因素也可以排除。

③ 消息描述棧讀寫(xiě)錯(cuò)誤也是造成方式字錯(cuò)誤的原因：對(duì)消息描述棧讀數(shù)錯(cuò)誤，將導(dǎo)致AT697F軟件無(wú)法正確獲取衛(wèi)星平臺(tái)發(fā)送的方式字請(qǐng)求。通過(guò)在試驗(yàn)件上調(diào)試，AT697F軟件能夠正確獲取衛(wèi)星平臺(tái)的方式字消息。

因此，故障定位在A(yíng)T697F軟件對(duì)方式字的寫(xiě)錯(cuò)誤因素。AT697F在寫(xiě)“發(fā)送矢量字”和“服務(wù)請(qǐng)求位”時(shí)，盡管軟件產(chǎn)生了“寫(xiě)”的動(dòng)作，但由于某種原因的影響，導(dǎo)致實(shí)際是虛寫(xiě)“發(fā)送矢量字”和“服務(wù)請(qǐng)求位”。

5 機(jī)理分析

經(jīng)分析本有效載荷將1553B的接口芯片B65170S6RH設(shè)置為16位零等待模式，即MCU對(duì)B65170S6RH進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)，上一字(16位)讀寫(xiě)完成，無(wú)需等待，可緊接著讀寫(xiě)下一字(16位)。但MCU對(duì)B65170S6RH讀寫(xiě)操作時(shí)間間隔小于器件要求值時(shí)(772所生產(chǎn)的芯片工作在16 MHz，16位零等待模式下，第一個(gè)16位數(shù)據(jù)字寫(xiě)完成后到第二個(gè)16位數(shù)據(jù)字之間間隔要求大于3.4 μs)，否則當(dāng)總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)和MCU訪(fǎng)問(wèn)同時(shí)發(fā)生時(shí)，第二個(gè)16位數(shù)據(jù)會(huì)寫(xiě)入失敗。

造成上述寫(xiě)入失敗的原因?yàn)椋築65170S6RH內(nèi)部集成了一塊4K×16位的共享RAM，其內(nèi)部協(xié)議處理器可以通過(guò)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線(xiàn)和地址總線(xiàn)對(duì)4K×16位的共享RAM進(jìn)行讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)，AT697F也可通過(guò)B65170S6RH外部數(shù)據(jù)、地址總線(xiàn)經(jīng)內(nèi)部數(shù)據(jù)、地址總線(xiàn)對(duì)4K×16位的共享RAM進(jìn)行讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)，當(dāng)B65170S6RH內(nèi)部協(xié)議處理器和AT697F同時(shí)對(duì)4K×16位的共享RAM進(jìn)行讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，這時(shí)就產(chǎn)生了競(jìng)爭(zhēng)訪(fǎng)問(wèn)。當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)訪(fǎng)問(wèn)產(chǎn)生時(shí)，如前一個(gè)數(shù)據(jù)還沒(méi)有被寫(xiě)入內(nèi)部的共享RAM，就會(huì)在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)里等待內(nèi)部協(xié)議處理器結(jié)束，以完成當(dāng)前共享RAM的訪(fǎng)問(wèn)。下一個(gè)數(shù)據(jù)再次到來(lái)時(shí)，將無(wú)法寫(xiě)入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，導(dǎo)致當(dāng)前寫(xiě)入的數(shù)據(jù)丟失。

本項(xiàng)目有效載荷將B65170S6RH設(shè)為在零等待模式，衛(wèi)星平臺(tái)根據(jù)協(xié)議采用廣播方式周期性(1 s一次)向各有效載荷發(fā)布時(shí)間碼，同時(shí)向各遠(yuǎn)程終端發(fā)出“發(fā)送矢量字”方式指令，這樣在MCU讀取時(shí)間碼的過(guò)程中，在3.4 μs時(shí)間內(nèi),衛(wèi)星平臺(tái)向本有效載荷發(fā)來(lái)“發(fā)送矢量字”方式指令，待總線(xiàn)控制器將數(shù)據(jù)取走或發(fā)來(lái)數(shù)據(jù)后，這時(shí)MCU正在讀取時(shí)間碼，B65170S6RH內(nèi)部協(xié)議處理器正將內(nèi)部RAM輸出至內(nèi)部數(shù)據(jù)總線(xiàn)，這時(shí)如AT697F軟件將“發(fā)送矢量字”和“服務(wù)請(qǐng)求位”置0，由于總線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)，B65170S6RH內(nèi)部協(xié)議處理器無(wú)法在內(nèi)部數(shù)據(jù)總線(xiàn)中傳輸置0數(shù)據(jù)到相應(yīng)的內(nèi)部RAM，結(jié)果就是導(dǎo)致無(wú)法將“發(fā)送矢量字”和“服務(wù)請(qǐng)求位”置0。

針對(duì)上述總線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)的解決方法，本項(xiàng)目給出兩種解決方法：

① B65170S6RH設(shè)置為零等待模式，MCU軟件對(duì)B65170S6RH的讀寫(xiě)采用軟延時(shí)，在MCU讀寫(xiě)B(tài)65170S6RH之間加入15次的空操作(時(shí)間約為4.8 μs)，人為強(qiáng)制將讀寫(xiě)間隔時(shí)間變長(zhǎng)，這樣就可滿(mǎn)足B65170S6RH器件要求的讀寫(xiě)操作時(shí)間間隔大于3.4 μs的要求。

② 將B65170S6RH的READYD信號(hào)輸出引至AT697F的BRDY引腳上，將B65170S6RH設(shè)置為非零等待模式，即AT697F對(duì)B65170S6RH進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)，上一字(16位)讀寫(xiě)時(shí)，需等待B65170S6RH的READYD信號(hào)變低電平(即B65170S6RH芯片已完成內(nèi)部的總線(xiàn)處理)，才可讀寫(xiě)下一字(16位)。此方法由MCU根據(jù)READYD信號(hào)自動(dòng)判斷下次的讀寫(xiě)操作，可有效避免AT697F與B65170S6RH之間讀寫(xiě)的總線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)。

結(jié) 語(yǔ)